Хладотранспорт / 02-Студентам Хладотранспорт и доставка-2013-2 / 03-Лекционные презентации / Все темы в ПДФ / Тема-4-Теплоэнергетика и ХМ
.pdf
Тема 4
Основы
теплоэнергетики
4.1Основытермодинамики
4.1.1Термодинамическая система
Термодинамической системой (ТДС) можно считать любую совокупность материальных тел, взаимодействующих потоками энергии и вещества друг с другом и с телами внешней среды.
|
|
|
|
|
|
ТДС |
Энергия |
Внешняя |
|
|
Вещество |
|
||
|
среда |
|
||
|
|
|
|
|
|
Энергия без теплообмена |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Присутствие обеих субстанций во внешних взаимодействиях характеризует ТДС как открытую.
Если через границу проникает лишь энергия, то ТДС считается изолированной. Идеальная теплоизолированная ТДС носит название
адиабатной.
Отсутствие какого-либо граничного взаимодействия свойственно
закрытой ТДС.
ТДС |
Внешняя |
среда |
Различные объекты хладотранспорта с определённым приближением могут быть отнесены к тем или другим из перечисленных систем: открытой, закрытой или изолированной.
Примером простейшей ТДС может служить рабочее тело холодильной машины (хладагент), осуществляющее в ней взаимные превращения теплоты и работы. Хладагент обменивается теплотой с холодоносителем – воздухом помещения рефрижераторного вагона. Ещё один пример простейшей ТДС: топливовоздушная смесь в цилиндре двигателя внутреннего сгорания.
Каждая ТДС, в том числе и простейшая, обладает бесконечным набором свойств, которые характеризуют различные стороны её сущности, а в совокупности – состояние рассматриваемой системы. Свойствами являются, например, давление, температура, удельный объём, плотность и др.
Давление р — макроскопическая характеристика, отражающая молекулярную природу жидкости или газа. Давление численно равно силе воздействия молекул на некоторую поверхность, отнесённую к величине этой поверхности. Значение давления пропорционально числу молекул, их массе и скорости перемещения. Единица измерения давления — паскаль (Па), 1 Па = 1 н/м2, где н (ньютон) — единица силы.
Температура t — физическая величина, характеризующая степень нагретости тела, °С. Она выступает как мера интенсивности теплового движения молекул. Термодинамическая (абсолютная) температура Т, К, отсчитывается по шкале Кельвина:
Т = t + 273,15.
Удельный объём v — это объём единицы массы вещества, м3/кг. Обратную удельному объёму величину называют плотностью: , кг/м3.
Удельный объём, давление и температуру называют термическими свойствами вещества.
Наряду с элементарными термодинамическими параметрами могут быть установлены сложные параметры, называемые функциями состояния; они также выступают характеристиками состояния ТДС. Важнейшей из функций состояния является внутренняя энергия U, определяемая как сумма кинетической, потенциальной и внутриядерной энергий частиц, а также энергии электронных оболочек атома. В задачах хладотранспорта оказывается достаточным учесть изменение лишь первых двух составляющих, т.е. принять
U = K + П.
Здесь кинетическая энергия частиц К является функцией температуры Т, а потенциальная П – занимаемого газом объёма V.
Если термодинамические параметры р, v, Т одинаковы во всех точках ТДС и неизменны во времени, то такое её состояние называется
равновесным.
Изменение состояния (хотя бы одного из параметров) ТДС во времени называется термодинамическим процессом (ТП).
ТДС, выведенная из состояния равновесия, может под действием градиентов параметров р, v, Т самопроизвольно вернуться к равновесию. Такой ТП получил название релаксация.
Если при релаксации не происходит взаимодействия с телами внешней среды, то ТП называют обратимым., если да, то — необратимым.
Если релаксация протекает медленно, то ТП называют равновесным,
если быстро, то — неравновесным.
Равновесный процесс обычно представляется как непрерывный ряд последовательно проходимых состояний равновесия; в каждом из них справедливо классическое уравнение состояния системы:
f(р, v, T) = 0.
В случае идеального газа это уравнение имеет вид:
pv = RT,
называемый уравнением Клапейрона. В нём R — газовая постоянная, R = 8134/µ; µ — киломоль вещества, т.е. молекулярная масса в килограммах.
Уравнение состояния реальных газов, учитывающее силы межмолеку-
лярного взаимодействия, носит название уравнения Ван-дер-Ваальса:
(p + a/v2)(v – b) = RT,
где a и b — численные коэффициенты, отражающие природу конкретного вещества.
4.1.2 Механические и тепловые взаимодействия
Типичный термодинамический процесс — расширение (сжатие) рабочего тела, например газа в цилиндре поршневого компрессора. Такой процесс характеризуется работой, т.е. затратой или выделением механической энергии. Работа, как известно, определяется произведением приложенной к рабочему телу силы на путь её действия. В рассматриваемом случае можно написать для бесконечно малого перемещения на единицу массы (кг) рабочего тела
dl = pdv.
Работа всегда связана с организованным перемещением макроскопических тел в пространстве.
Поэтому она характеризует упорядоченную (макрофизическую) форму передачи энергии.
Процесс расширения рабочего тела
Помимо работы существует и другая, микрофизическая форма передачи энергии, осуществляемая на молекулярном (неупорядоченном) уровне взаимодействия системы и окружающей среды за счёт разности их температур. Здесь происходит обмен энергией, а не работа. Мерой количества энергии, переданной без совершения работы, служит теплота q, Дж/кг).
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
1 |
> t |
|
ТДС t1 q |
|
|
t2 |
ОС |
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Естественным путём теплота всегда передаётся от более нагретого тела к менее нагретому телу. Такой ТДП получил название самопроизвольный.
Теплота, работа и внутренняя энергия — энергетические характеристики, однако между этими понятиями существует большое различие. Внутренняя энергия — это свойство самой системы, одна из характеристик её состояния. Теплота и работа — это характеристики процессов теплового и механического взаимодействий системы с окружающей средой.
4.1.3 Первый законтермодинамики
Как известно, в процессах и явлениях природы энергия не исчезает и не возникает, она лишь переходит из одной формы в другую в эквивалентных количествах. Это — всеобщий закон сохранения и превращения энергии.
Его частным случаем применительно к тепловым явлениям выступает первый закон термодинамики. Он характеризует баланс энергии в процессе, т.е. количественную сторону превращения энергии.
Пусть к некоторому рабочему телу (в расчёте на 1 кг) подводится бесконечно малое количество теплоты dq, вследствие чего прирастает его температура dT и удельный объём dv, т.е. возрастает на величину du внутренняя энергия тела. Но при расширении рабочего тела совершается механическая работа dl против сил внешнего сопротивления (давления). Так как никаких других изменений в системе не происходит, то по закону сохранения энергии
dq = du + dl.
Это уравнение является математическим выражением Первого закона термодинамики. Рассмотрим некоторые частные случаи.
Первый случай. Разогрев системы в адиабатном процессе
Процесс протекает в отсутствие теплообмена, dq = 0. Формально из уравнения dq = du + dlимеем
dl = – du,
т.е. работа расширения в адиабатном процессе может совершаться только за счёт уменьшения внутренней энергии; и наоборот, адиабатное сжатие рабочего тела извне приводит к возрастанию внутренней энергии, т.е. к его разогреву.